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刀具安全性技術(shù)(成套木工銑刀、錨具銑刀、錨具絲錐、齒輪滾刀、鏈輪滾刀、蝸輪滾刀、拉刀、塞規、套規、螺桿、蝸桿、鋸片、三面刃銑刀、各類(lèi)非標準螺紋刀具)

1 引言
  高速銑削工藝在汽車(chē)、飛機和模具制造業(yè)中應用廣泛。由于銑刀高速旋轉時(shí)刀具各部分承受的離心力已遠遠超過(guò)切削力本身的作用而成為刀具的主要載荷,而離心力達到一定程度時(shí)會(huì )造成刀具變形甚至破裂,因此研究高速銑刀的安全性技術(shù)對發(fā)展高速銑削技術(shù)有著(zhù)極其重要的意義。
2研究的現狀
  20世紀90年代初德國就開(kāi)始了對高速銑刀的安全性技術(shù)研究,并制訂了DIN6589-1《高速銑刀的安全要求》標準草案,規定了高速銑刀失效的試驗方法和標準,在技術(shù)上提出了高速銑刀設計、制造和使用的指導性意見(jiàn),規定了統一的安全性檢驗方法。該標準草案已成為各國高速銑刀安全性的指導性文件。   

2.1 高速銑刀的安全失效形式與試驗方法   

標準草案規定了高速切削的速度界限,超過(guò)該速度后離心力將成為銑刀的主要載荷,必須采用安全技術(shù)。在刀具直徑與高速切削范圍關(guān)系圖中,曲線(xiàn)以上區域為該標準規定的銑刀必須經(jīng)過(guò)安全檢驗的高速切削范圍:對于直徑d1≤32mm的單件刀具(整體或焊接刀具),其切削速度超過(guò)10000m/mm為高速切削范圍;對于直徑d1>32mm的裝配式機夾刀具,高速切削范圍為線(xiàn)段BC以上區域。   

高速銑刀的安全失效形式有兩種:變形和破裂。不同類(lèi)型銑刀的安全試驗方法也不同。對于機夾可轉位銑刀,有兩種安全試驗方法:一種方法是在1.6倍最大使用轉速下進(jìn)行試驗,刀具的永久性變形或零件的位移不超過(guò)0.05mm;另一種方法是在2倍于最大使用轉速下試驗,刀具不發(fā)生破裂(包括夾緊刀片的螺釘被剪斷、刀片或其他夾緊元件被甩飛、刀體的爆裂等)。而對于整體式銑刀,則必須在2倍于最大使用轉速條件下試驗而不發(fā)生彎曲或斷裂。   

2.2 高速銑刀強度計算模型   高速刀具在離心力的作用下是否發(fā)生失效的關(guān)鍵在于刀體的強度是否足夠、機夾刀的零件夾緊是否可靠。當把離心力作為主要載荷計算刀體強度時(shí),由于刀具形狀的復雜性,用經(jīng)典力學(xué)理論計算得出的結果誤差很大,常常不能滿(mǎn)足安全性設計的要求。   為了在刀具設計階段對其結構強度在離心力作用下的受力和變形進(jìn)行定性和定量的分析,可通過(guò)有限元方法計算不同轉速下的應力大小,模擬失效過(guò)程和改進(jìn)設計方案。高速銑刀有限元計算模型中包括刀體、刀體座、刀片和夾緊螺釘。首先計算刀體(包括螺釘、刀片等零件質(zhì)量)的彈性變形,再對分離出的刀座作詳細分析,把所獲得的刀體彈性變形作為邊界條件加到刀座分離體;然后由切出的刀座、刀片、螺釘及無(wú)質(zhì)量的摩擦副組成刀片夾緊系統的模型,進(jìn)行夾緊的可靠性分析。有限元模型能模擬刀片在刀座里的傾斜、滑動(dòng)、轉動(dòng)以及螺釘在夾緊時(shí)的變形,可計算出在不同轉速下刀片位移和螺釘受力的大小。
3 安全性的措施
  結合高速銑刀安全性標準,通過(guò)有限元計算模型的分析,為適應安全性要求,可采取以下措施:   1.減輕刀具質(zhì)量,減少刀具構件數,簡(jiǎn)化刀具結構   由試驗求得的相同直徑的不同刀具的破裂極限與刀體質(zhì)量、刀具構件數和構件接觸面數之間的關(guān)系,經(jīng)比較發(fā)現,刀具質(zhì)量越輕,構件數量和構件接觸面越少,刀具破裂的極限轉速越高。研究發(fā)現,用鈦合金作為刀體材料減輕了構件的質(zhì)量,可提高刀具的破裂極限和極限轉速。但由于鈦合金對切口的敏感性,不適宜制造刀體,因此有的高速銑刀已采用高強度鋁合金來(lái)制造刀體。   在刀體結構上,應注意避免和減小應力集中,刀體上的槽(包括刀座槽、容屑槽、鍵槽)會(huì )引起應力集中,降低刀體的強度,因此應盡量避免通槽和槽底帶尖角。同時(shí),刀體的結構應對稱(chēng)于回轉軸,使重心通過(guò)銑刀的軸線(xiàn)。刀片和刀座的夾緊、調整結構應盡可能消除游隙,并且要求重復定位性好。目前,高速銑刀已廣泛采用HSK刀柄與機床主軸連接,較大程度地提高了刀具系統的剛度和重復定位精度,有利于刀具破裂極限轉速的提高。此外,機夾式高速銑刀的直徑顯露出直徑變小、刀齒數減少的發(fā)展趨勢,也有利于刀具強度和剛度的提高。   2.改進(jìn)刀具的夾緊方式   模擬計算和破裂試驗研究表明,高速銑刀刀片的夾緊方法不允許采用通常的摩擦力夾緊,要用帶中心孔的刀片、螺釘夾緊方式,或用特殊設計的刀具結構以防止刀片甩飛。刀座、刀片的夾緊力方向最好與離心力方向一致,同時(shí)要控制好螺釘的預緊力,防止螺釘因過(guò)載而提前受損。對于小直徑的帶柄銑刀,可采用液壓夾頭或熱脹冷縮夾頭實(shí)現夾緊的高精度和高剛度。   3.提高刀具的動(dòng)平衡性   提高刀具的動(dòng)平衡性對提高高速銑刀的安全性有很大的幫助。因為刀具的不平衡量會(huì )對主軸系統產(chǎn)生一個(gè)附加的徑向載荷,其大小與轉速的平方成正比。   設旋轉體質(zhì)量為m,質(zhì)心與旋轉體中心的偏心量為e,則由不平衡量引起的慣性離心力F為:   F=emω2=U(n/9549)2   式中:U為刀具系統不平衡量(g·mm),e為刀具系統質(zhì)心偏心量(mm),m為刀具系統質(zhì)量(kg),n為刀具系統轉速(r/min),ω為刀具系統角速度(rad/s)。   由上式可見(jiàn),提高刀具的動(dòng)平衡性可顯著(zhù)減小離心力,提高高速刀具的安全性。因此,按照標準草案要求,用于高速切削的銑刀必須經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡測試,并應達到ISO1940-1規定的G4.0平衡質(zhì)量等級以上要求。
4 結語(yǔ)
  高速銑刀安全性技術(shù)是研究高速刀具的一個(gè)重要內容,應加強刀具安全性的定量分析,精確確定影響高速銑刀安全性的微量因素,并從刀具的材料、結構、制造工藝等方面解決好高速銑刀的安全性。

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